想象一下一个微型机车在轨道上来回移动，自我驱动而无需任何外部力量。在分子层面，这一概念构成了分子马达的基础——复杂的系统，可以使先进材料、靶向药物递送和纳米级机器人发展成为可能。
多伪轮轴，其中α-环糊精(α-CD)环在聚乙烯醇(PEG)链上穿梭，是分子机器的有前途候选者。然而，它们的分子动力学仍不清晰。研究人员现在使用快速扫描原子力显微镜(FS-AFM)可视化了α-CD环沿PEG链移动。这一突破确立了FS-AFM作为分析超分子聚合物的强大工具，并为设计高效的分子马达铺平了道路。
想象一下一个微型机车在轨道上来回移动，自我驱动而无需任何外部力量。在分子层面，这一概念构成了分子马达的基础——复杂的系统，可以使先进材料、靶向药物递送和纳米级机器人发展成为可能。
受自然分子机器的启发，自1994年首次合成分子机器以来，科学家们一直在开发人工对应物。这项研究迅速进展， culminat 在2016年获得诺贝尔化学奖，以表彰在分子机器设计方面的突破。一个有希望的候选者是多伪轮轴，这是一种结构，其中聚乙烯醇(PEG)聚合物链贯穿多个α-环糊精(α-CD)环。在水溶液中，这些环自组装到PEG链上并沿其长度移动。然而，导致这种运动的具体结构变化仍不清楚——直到现在。
最近，日本先进科学与技术研究所(JAIST)的科学家们实时可视化了α-CD环沿PEG链的动态穿梭，揭示了之前不清晰的局部结构变化。由副教授篠原健一领导的团队使用一种特制的显微镜，称为快速扫描原子力显微镜(FS-AFM)，捕捉了α-CD环沿PEG链移动的实时图像。他们的研究于2025年3月4日发表在大分子上，介绍了一种分析超分子聚合物结构的新方法——这一方法在以前无法实现，可能为更先进的分子机器铺平道路。
“尽管PEG@α-CD多伪轮轴被广泛使用，但随着α-CD环沿聚合物链穿梭而发生的结构变化仍不明确。通过揭示其在固-液界面的结构，我们的研究将有助于开发受热波动驱动的合成聚合物马达，”篠原博士解释说。
为了制备多伪轮轴，研究人员将PEG100k与α-CD混合在水溶液中，并让样品静置超过六个小时。这个过程导致了白色固体的形成，然后他们用FS-AFM在15毫摩尔氯化钾水溶液中进行了分析。与常规光学显微镜不同，AFM在小杠杆上使用超锐利的尖端扫描表面，捕捉纳米级特征并生成高分辨率图像。
单独成像PEG100k链显示出一个高度灵活的哑铃形结构，两端有小球。这种灵活性赋予它弹簧般的特性，使其可以自由膨胀和收缩。因此，当放松时，链的长度显得比实际拉直的长度790 nm短得多(平均48.1 nm)。当添加α-CD环时，它们减少了链的灵活性。成像PEG100k@α-CD多伪轮轴显示出一个明显更长(平均499.6 nm)和更刚性的结构，端帽的形成阻止α-CD环滑脱。有趣的是，尽管灵活性较差，链仍然表现出弹簧般的运动，因为α-CD环继续沿其长度穿梭。
“我们观察到多伪轮轴展现出由α-CD环沿聚合物链穿梭驱动的收缩和扩展运动。这些运动主要发生在暴露的自缩PEG片段，重复扩展和收缩伴随着α-CD环的移动，”篠原博士解释道。分子动力学模拟进一步确认了这些发现，重现了FS-AFM实验中观察到的收缩和扩展运动。
尽管完全功能的分子机器仍然是一个长期目标，这项研究为理解超分子系统中的分子运动奠定了基础。“FS-AFM是一种有希望的技术，用于分析超分子材料，特别是当常规光谱方法不适合于结构分析时，”篠原博士评论道。这些见解可能会导致能量高效的分子马达，利用室温下的热能进行受控运动。
